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1Unit4回转壳体的薄膜应力回转壳体是由一条直线或曲线绕一根旋转形成的（一个回转实体是由一个面绕一根轴旋转而成的）。大多数过程容器是由回转壳体组成的：圆柱形和圆锥形部件；半球形，椭圆形和准球形的封头；图.1.13。薄的容器壁被称为“薄膜”；承受载荷不引起严重的弯曲和过大的剪切应力；就象气球的外壁一样。对受内压回转壳的薄膜应力分析为确定容器壳体最小壁厚奠定了基础。实际的厚度要求同样取决于容器所承受的载荷所产生的应力。假设大致形状如图1.14的回转壳体在载荷作用下做对称的旋转；在壳体单位面积上所受的载荷（压力）在周向方向是一致的，但是从顶部到底部并不是一模一样的。让P=压力t=壳体的厚度1=经向应力（纵向应力），应力沿着经线作用，2=周向或者切向应力，应力沿着平行的圆环作用（通常叫做环向应力），1r=经向曲率半径，2r=环向曲率半径。注意：容器有双曲率；r1和r2的值是由形状决定的。假设作用在单元上的力通过点a，b，c，d来定义。那么在单元上的应力的法向分量（分力作用在和表面有特定角度的方向）：这个力被其它力的法向分量抵消与容器壁上的薄膜应力相关联（给出，力=应力×面积）：将上面等式左右连接并且简化，取极限方法令d/2dS/2r，sindd，给出：经向应力1可通过作用在周向沿线的力的平衡获得：图1.14。压力垂直分量：这是一种通过力的垂直分量建立的平衡，取决于作用在压力容器外壁圆周上的经向应力：连接这些力得出：（1.13）公式（1.12）和（1.13）完全适用于任何回转壳体。圆柱体（图1.15a）圆柱是由平行于回转轴的一条线旋转而得，所以：D是圆柱的直径。带入公式（1.12）（1.13）得：球体（图1.15b）因此：圆锥体：圆锥体是由和轴有一定角度的直线旋转而成。带入公式（1.12）和（1.13）得：最大值将会发生在r=2D/2。Unit7材料的特性用于工程构件的任何一种材料的最终强度取决于这种材料在经历了一种或多种不同加工过程之后的机械与物理性质。也有许多特性决定材料的初始状态适合一些特定的加工工艺。原始材料的最初强度很重要，因为强度在一定程度上影响了材料最终被加工的形状以及最后所能承受的截面能力。增加或者降低初始材料的强度的因素也很重要。它可用于减小材料的强度并如许现有机器下将材料加工成一定形状。或者作为选择去提高材料最终的强度来得到更高的服务强度。强度是一个不明确的词汇，在这被理解为指示出材料接受或抵抗变形的能力。一个类似的问题也适用于另一个甚至更难以捉摸的材料性质，即材料的韧性。它通常被理解为指的是材料承受大变形（主要是拉伸变形）而不发生断裂的能力。在考虑加工工艺，这个参量的大部分值很明显是很有用的。金属加工工艺只受到实际工作材料的韧性影响而受到限制，所以，强加到材料上的大量变形必须被限制为了防止材料断裂。然而一些与韧性相反的加工工艺却是有利的。一个适合的一般性的词汇来解释脆性可能就是脆性了；例如，众所周知某些脆性材料比韧性材料容易加工或剪切。主要是制造过程中各种材料性质的相互关系，例如强度与韧性等，影响着生产工艺。例如，一个很普通的常识大多数金属当受热时将会变软和更容易变形。如果变形的速度太快，然而，这种优势会消失，材料会变的更硬更脆，过快的变形会导致断裂。这些效果的事件和重要性在某重程度上取决于材料的微观结构，所以金属冶金学的知识或者相应的非金属微观结构对于理解这本书的许多学科是十分必要的，又叫做材料的强度。这章开始讨论的目的，实际上，是为了指出这些材料的性质在加工过程中和加工过程之后都重要，为了了解它们为什么这么重要，它们怎么样影响加工工艺的。很明显我们必须要有比强度、韧性更2精确的词汇，在这章考虑了一些标准机械测试是为了了解是否有必要定义一些更精确的概念。当然，为了了解它很有必要掌握塑性数学理论或理想介质的流变学理论。一旦多种重要的加工性质被定义和理解，那么我们有必要去考虑这些知识怎样被使用去控制工艺和生产，这些性质怎么样被不同的加工工艺影响。用这种方法我们可以很容易确定对一个给定的元件和材料的一个合适的方法最后给出最后的形状，要求的强度和性质。因此我们可以理解为什么传统的学科中的材料强度如此重要，不仅是因为它与任何工程工件和材料的最终条件有关，也和最终变形前的材料有关。例如，可能会和考虑形状改变有关或者加工工件的材料去适合生产技术。这些问题超出的这本书的研究范围，并且可能属于在加工设计或者加工工程中更专业的领域。制造的成本自始至终，即从规定元件要在一定寿命期间满足一定的功能开始，直到最后的检验、试验和保用，都是最重要的。整个加工工艺包括工件的设计和生产，特别是影响材料的最终强度。在加工中有一些物理和化学的性质影响着材料的选择和处理。一个物理性质是传热率去影响当它在材料内部变形和冷却硬化的时候的热流量。同样的，众所周知的例子，是一个重要的抵抗腐蚀的性质。它的重要性在生产的最终阶段很明显，它在加工工艺过程中也很重要，因为它有时影响表面膜的形成，从而影响润滑性，或是导热和导电的能力。Unit10金属的腐蚀化工厂，伴随着大量多种的气态，有机的和气态的腐蚀，产生每种可想象的腐蚀类型。控制设备的腐蚀在没有化学过程的情况下是一个相当大的挑战。炼油厂在腐蚀控制方面具有最好声誉，这部分地是由于其产品的价值给了炼油厂以资金来进行腐蚀控制，部分地也是由于对炼油厂来说如果任何一项腐蚀控制措施出现问题的话，都存在发生火灾的危险。抵抗腐蚀的材料和昂贵的化学抑制剂被认为是必要的保障。什么是腐蚀？腐蚀是金属由于和环境反应而产生的破坏。破坏的规定是不包括工艺在内的，比如化学药品的研磨、铝的阳极反应，和钢的发蓝，这些都是有意识的去改善金属。所有种类的化学和电化学过程在工业上被用做和金属发生化学反应，但是它们被设计出来是用于改善金属而不是去破坏它。因此这些过程不认为是腐蚀。金属在腐蚀的定义中被涉及到，但是任何一种材料都能被它的环境破坏：塑料在溶剂中膨胀，混凝土在污水中的溶解，木头的腐烂，等等。这些结果都是不同机理产生的严重问题。但是在这个定义中它们不被包括。金属，他们是否在腐蚀中被侵袭的均匀或者有纹孔或者开裂，被腐蚀都是通过相同的基本机理，它们不同与其他的材料。这些试验集中在金属上。腐蚀对于金属来说是个自然过程，因为它们与环境反应生成更稳定的化合物。即使是在一个材料选择总是正确的、设备设计没有任何缺陷并且操作也没有任何错误的理想世界中，腐蚀仍将发生，只不过是可以接受的腐蚀速率罢了。腐蚀的代价。看看真实的腐蚀是怎样的，许多国家的政府在1970年和1980年委托研究，得到了许多数据说明腐蚀的确是大多数的主要问题。美国的研究估计腐蚀的直接损失是工业产值的4.9%对于工业化国家来说。这4.9%中，大概1%到2%是可以通过现在的技术避免的，大概是每人每年200美元的浪费。直接成本包括零件、劳动力代替汽车的消声器，金属的顶板，冷凝管，和所有其他的可腐蚀的金属。一部完整的机器不得不被报废由于小部件的腐蚀。单单汽车腐蚀每年就值16亿。直接成本包括金属的重新喷漆，虽然这笔费用不同于安装精确的部件，因为许多金属表面喷漆是防止腐蚀。腐蚀防护的成本也包括例如阴极保护的投资成本、其电力消耗和维修成本、化学缓蚀剂的成本以及抗腐蚀材料的附加成本等。间接费用更难以确定，尽管他们可能至少对一样大的直接费用进行了调查。间接费用包括工厂停产，损失或污染的产品，丧失效率，对于防腐需要进行必要的设计，大约20％的电子故障是由腐蚀造成的。腐蚀导致了我们一个非常现实的代价就是资源枯竭，但是这不是算作直接费用。据估计，40％的钢铁生产用以取代钢材腐蚀损失，许多金属，特别是例如铬和镍等那些制造合金时所必需的金属，都不能通过当代技术进行可回收利用。能源资源也降低腐蚀，因为能源必须用于生产替代金属。人力资源是一种浪费，拥有时间和智慧的许多工程师和技术人员必须在日常斗争腐蚀。往往腐蚀工作分配给新的工程师或技术员，因为它是一种快速的方法为他/她去了解的人，工厂运作，它的问题。然后，如果他们会得到进步以及与另一个有经验的学员已经重新开始学习周期。PARTⅢ工业流程Unit11化学工程1.什么是化学工程？3从广义上讲，工程被定义为特定行业使用的科学技术和设施，例如，机械工程是指技术和设施被用来制造及其，它（机械工程）主要是以机械力基础，这些力用于改变被加工材料的表面形状或物理性质，而材料的化学性质不变。化学工程包括材料的化学加工，主要以化学和物理化学的高度复杂性为基础。因此，化学工程是注重设计，制造，机械设备操作，化学加工工业机械等要就工程领域的分支。化学工业是首先以化学科学为基础，例如物理化学，化学热力学，和化学动力学。等等，然而，它（化学工程）不是简单的复制他们的发现，而是依靠他们进行大量的化学处理。主要的目的是使化学工程成为一门纯粹的学科，是一种能够找到一种操作和设计商业设备及配件最适合最经济的方案。因此，化学工程在没有经济，物理，数学，控制理论，机械原理，和其他科学技术的紧密联系是不可想象的。在化学工程的早期，化学工程是一门大的描述性的学科。在那时许多的早期的化学工程的教科书和手册都是百科全书一样商业生产过程中所知道。在科学和工业制造取得进展并在增加化学制品的数量上给人印象深刻。如今，是有充当的80，000种化学品的生产来源。化学工业的发展，一方面使化学和技术科学向前发展，另一方面可为化学加工工艺奠定理论基础。随着化学工程的稳步向前发展，新的数据，新的联系，新的归纳正在被加入化学工程的主题。许多他们自己的分支区别化学工程的主流。正如加工和机械设计，自动化，化学模拟加工和建模等等。2.化学工程的基本趋势？化学工程一直被用来加工工业来改变原料的物理状态或化学成分。化学工程师所研究问题的传统范围，从复杂性和规模上来讲，也许都可以称之为是中等尺度的问题。这种尺度包含反应器和单一工序的装备以及制造工厂里单位操作的组合体。未来的中等尺度研究将越来越多地有微观尺度的研究和极端复杂系统的宏观尺度的研究来补充。化学工程将来会整合成比其他任何工程领域分支都宽尺度（的工程学科）。例如，一些工作可能把宏观尺度的环境和中间尺度的燃烧系统和微观尺度的分子反应和运动联系起来。另一些工作可能把一个复合的飞行器的宏观尺度的性能和中间尺度的机翼的化学反应器以及反应器的布局将受复杂液体的微观动力学研究的影响。如此，将来化学工程将会构想和在微观到宏观的连续的尺度范围内严谨的解决问题。他们将会新的工具和新的观察发现以及研究其他学科：分子生物学，化学，固体物理，材料科学，和电子工程。并且他们在制造和过程设计和加工方面将会越来越多的用计算机，人们的智慧，以及解决问题的专门的系统。Unit12工业制造的传递现象1.引言传递现象是一个共有的名词来源于有规则的集成研究的三个古典的工程领域的学科；（1）能量或热传动，（2）质量传递或扩散（3）动量传递或流体动力学。当然，热和质量传递发生在流体中，正是由于这个原因一些工程研究人员们青睐于热传导和固体扩散，然而，这个学科实际上是比流体力学的范围更广。该学科不同于流体力学之处还在于传递现象的研究利用了传热，传质，和动量传递方程之间的相似性。这些相似性，随着它们经常被提起，能够经常涉及到相似的物理构造借以发生传送，因而，明白一个传送过程就可以明白另一个传送过程。而且，如果微分方程和边界条件都相同，则仅需对其中一个（传递）过程求解，因为通过改变名称，该解可用作任何其他传递过程的解。需要强调的是，然而，在传递过程中有很多相似之处，也有很重要的不同之处，尤其在动量传动，和热或质量传递。尽管如此，一个对传递过程相似之处有系统的研究会使识别和明白他们的不同之处变得更加简单。2.为什么工程师要研究传递现象？自从这门学科涉及到一些自然规律，一些人把它归类为工程方面的一个分支。这如这些原因一些参与经济性设计和设备操作以及技能方面的工程师，十分适当地提出传递现象将会在实践中体现价值。大致有两种答案回答这些问题。第一种要要求认识热，质量，动量等传递发生在各种工程设备中，热交换器，压缩机，核电站，增